模具數(shù)控加工技術(shù)教案第8次課-9次課

第 八 次 課 授 課 提 綱 五、數(shù)控機床的位置檢測裝置 （一）對位置檢測裝置的要求 閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)均裝有位置檢測裝置，常用的有旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、感應(yīng)同步器、編碼盤等。位置檢測裝置的主要作用是檢測位移量，并將檢測的反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運動，直到偏差為零。 為提高數(shù)控機床的加工精度，必須提高測量元件和測量系統(tǒng)的精度。不同的數(shù)控機床對測量元件和測量系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動速度各不相同。一般要求測量元件的分辨率（測量元件能測量的最小位移量）在0.0001～ 0.01mm之內(nèi)，測量精度為0.001～ 0.02mm，運動速度為0～24 m / min。 數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下： （1）工作可靠，抗干擾性強 （2）滿足精度和速度的要求 （3）便于安裝和維護 （4）成本低、壽命長。  （二）常用的位置檢測裝置 1．旋轉(zhuǎn)變壓器 （1）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，四極繞組則各有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。 在實際應(yīng)用中，考慮到使用的方便性和檢測精度等因素，常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器。這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器可分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式。 a. 鑒相工作方式 如圖2-20所示為四極旋轉(zhuǎn)變壓器，給定子的兩個繞組分別通以同幅、同頻但相位相差π/2的交流勵磁電壓，即: u1 s＝UmSinωt u1 c＝UmCosωt  （2—1） 在轉(zhuǎn)子繞組的其中一個繞組接一高阻抗，它不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的測量輸出，主要起平衡磁場的作用，目的是為了提高測量精度。 這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子的另一繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，并疊加在一起，因而轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個電壓的代數(shù)和，即： u2＝ku1 s Sinθ＋ku1 c Cosθ ＝kUmSinωt Sinθ＋kUmCosωt Cosθ ＝kUmCos(ωt -θ) （2—2） 同理，假如轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得： u2＝kUmCos(ωt ＋θ) （2—3） 由式（2—1）和（2—2）可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢u2與定子繞組中的勵磁電壓同頻率，但相位不同，其差值為θ。而θ角正是被測位移，故通過比較感應(yīng)電勢u2 與定子勵磁電壓輸出電壓u1 c的相位，便可求出θ。 b.鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以同頻率、同相位但幅值不同的交變勵磁電壓，即： u1 s ＝Us m Sinωt u1c ＝Uc m Sinωt （2—4） 其中，幅值分別為正弦、余弦函數(shù)，即： Us m ＝ UmSinα Uc m ＝ UmCosα 式中α角可改變，稱為旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角。 則在轉(zhuǎn)子上的疊加感應(yīng)電壓為： u2＝ku1 s Sinθ＋ku1 c Cosθ ＝kUmSinαSinωt Sinθ＋kUmCosαSinωt Cosθ ＝kUmCos(α-θ) Sinωt  (2—5) 如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得：  u2＝kUmCos(α+θ) Sinωt  (2—6) 由上式（2－5）和（2－6）可得，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角θ而變化，測量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角θ。 在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷修改勵磁信號中的α角（即勵磁幅值），使其跟蹤θ的變化。 （2）旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 由于旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低、輸出信號幅度大、抗干擾能力強和測量精度一般等特點，所以在連續(xù)控制系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用，一般用于精度要求不高的數(shù)控機床上。 2．感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器也是一種非接觸電磁式測量裝置，它可以測量角位移或直線位移。 感應(yīng)同步器的特點是：感應(yīng)同步器有許多極，其輸出電壓是許多極感應(yīng)電壓的平均值，因此檢測裝置本身微小的制造誤差由于取平均值而得到補償，其測量精度較高；測量距離長，感應(yīng)同步器可以采用拼接的方法，增大測量尺寸；對環(huán)境的適應(yīng)性較強，因其利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生信號，所以抗油、水和灰塵的能力較強；結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長且維護簡單。 （1）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理感應(yīng)同步器測量裝置分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，如圖2-21所示。 圖2-22表示了定尺繞組感應(yīng)電壓與定尺、滑尺之間相對位置的關(guān)系。 （2）感應(yīng)同步器的工作方式  同旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式相似，根據(jù)滑尺勵磁繞組供電方式的不同，感應(yīng)同步器的工作狀態(tài)可分為相位工作方式和幅值工作方式兩種情況。 ①相位工作方式（鑒相工作法）  給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以同頻、同幅但相位相差 的交流勵磁電壓，即:     由于定尺繞組的感應(yīng)電壓滯后滑尺繞組的勵磁電壓90，當滑尺移動時，定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為:     式中, 為耦合系數(shù)； 為滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角， ，其中 為滑尺相對定尺的位移量， 為節(jié)距。 應(yīng)用疊加原理，定尺繞組上的感應(yīng)電壓為   - = 由上述分析可知，在相位工作方式中，感應(yīng)輸出電壓是一個幅值不變的交流電壓。由于耦合系數(shù) 、勵磁電壓幅值 以及頻率 均為常數(shù)，所以定尺感應(yīng)電壓 只隨空間相位角 的變化而變化,即定尺感應(yīng)電壓 與滑尺的位移值 有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。通過鑒別定尺感應(yīng)電壓相位，即可測得滑尺和定尺的相對位移量。 ②幅值工作方式（鑒幅工作方式）  給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以同頻率、同相位但幅值不同的交流勵磁電壓，即: 其中， ， ， 為給定的電氣角。 則在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為: = 當滑尺和定尺處于初始位置時， ，則 0。 在滑尺移動過程中，在一個節(jié)距內(nèi)任一 0的 點稱為節(jié)距零點。當定尺、滑尺之間產(chǎn)生相對位移 ，即改變滑尺位置時，則 ，使得 0。令 ，此時在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為: = 當 很小時，定尺繞組上的感應(yīng)電壓可以近似表示為:   又因為 ，所以定尺繞組上的感應(yīng)電壓又可表示為：   由上式可知，定尺繞組上的感應(yīng)電壓 實際上是誤差電壓，當滑尺位移量 很小時，誤差電壓幅值和 呈正比，因此可通過測量 的幅值來測定位移量 的大小。 在幅值工作方式中，每當改變一個 位移增量，就有誤差電壓 產(chǎn)生。當 超過某一預(yù)先整定的門檻電平時，就會產(chǎn)生脈沖信號，并以此來修正勵磁信號 、 ，使誤差信號重新降到門檻電平以下（相當節(jié)距零點），以把位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，實現(xiàn)了對位移的測量。 3．光柵 光柵是用于數(shù)控機床的精密檢測裝置，是一種非接觸式測量。它是利用光學(xué)原理進行工作，按形狀可分為圓光柵和長光柵。圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。 光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，它主要由光柵尺（包括標尺光柵和指示光柵）和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。 光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動線路組成，如圖2-23所示。 常見光柵的工作原理是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的，這里不再詳述。 光柵具有如下特點： （1）響應(yīng)速度快、量程寬、測量精度高。測直線位移，精度可達0.5～3μm（300mm范圍內(nèi)），分辨率可達0.1μm；測角位移，精度可達0.15″，分辨率可達0.1″，甚至更高。 （2）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。 （3）具有較強的抗干擾能力。 （4）怕振動、怕油污，高精度光柵的制作成本高。 4．磁柵 磁柵是一種采用電磁方法記錄磁波數(shù)目的位置檢測裝置，其錄磁和拾磁原理與普通磁帶相似。在檢磁過程中，磁頭讀取磁性標尺上的磁化信號并把它轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過檢測電路將磁頭相對于磁性標尺的位置送入計算機或數(shù)顯裝置。 磁柵按磁性標尺基體的形狀可分為平面實體型磁柵、帶狀磁柵、線狀磁柵和圓型磁柵，前三種用于直線位移測量，后一種用于角位移測量。 如圖2-24所示為磁柵結(jié)構(gòu)框圖，它由磁性標尺、拾磁磁頭和檢測電路組成。 （1）磁性標尺 （2）拾磁磁頭 由于用于位置檢測用的磁柵要求當磁尺與磁頭相對運動速度很低或處于靜止時亦能測量位移或位置，所以應(yīng)采用靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)型磁頭，它在普通動態(tài)磁頭上加有帶勵磁線圈的可飽和鐵芯，從而利用了可飽和鐵芯的磁性調(diào)制的原理。靜態(tài)磁頭可分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。 磁柵與光柵相比，測量精度略低一些，但它有如下特點： （1）制作簡單，安裝、調(diào)整方便，成本低。磁柵上的磁化信號錄制完，若發(fā)現(xiàn)不符合要求，可抹去重錄。亦可安裝在機床上再錄磁，避免安裝誤差。 （2）磁尺的長度可任意選擇，亦可錄制任意節(jié)距的磁信號。 （3）耐油污、灰塵等，對使用環(huán)境要求較低。 （4）但反應(yīng)速度受到限制；因磁頭與磁尺有接觸的相對運動產(chǎn)生磨損，對磁柵的使用壽命產(chǎn)生影響。   第 九 次 課 授 課 提 綱 第三節(jié)  數(shù)控機床的主軸驅(qū)動及其機械結(jié)構(gòu) 一、主軸驅(qū)動及其控制 （一）對主軸驅(qū)動的要求 數(shù)控機床的主軸驅(qū)動是指產(chǎn)生主切削運動的傳動，它是數(shù)控機床的重要組成部分之一。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動已不能滿足要求，現(xiàn)代數(shù)控機床對主軸驅(qū)動提出了更高的要求。 （1）數(shù)控機床主傳動要有寬的調(diào)速范圍及盡可能實現(xiàn)無級變速 （2）功率大 （3）動態(tài)響應(yīng)性要好 （4）精度高 （5）旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動功能 （6）恒線速切削功能 （7）加工中心上，要求主軸具有高精度的準�？刂�   此外，有的數(shù)控機床還要求具有角度分度控制功能。為了達到上述有關(guān)要求，對主軸調(diào)速系統(tǒng)還需加位置控制，比較多的采用光電編碼器作為主軸的轉(zhuǎn)角檢測。 （二）主軸驅(qū)動方式 數(shù)控機床的主軸驅(qū)動及其控制方式主要有四種配置方式，如圖2-25所示。 （1）帶有變速齒輪的主傳動，如圖2-25（a）所示。 （2）通過帶傳動的主傳動，如圖2-25（b）所示。 （3）用兩個電動機分別驅(qū)動主軸，如圖2-25（c）所示。 （4）內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)，如圖2-25（d）所示。 （三）主軸調(diào)速方法 數(shù)控機床的主軸調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，為了能同時滿足對主傳動的調(diào)速和輸出扭矩的要求，數(shù)控機床常用機電結(jié)合的方法，即同時采用電動機和機械齒輪變速兩種方法。其中齒輪減速以增大輸出扭矩，并利用齒輪換擋來擴大調(diào)速范圍。 1．電動機調(diào)速 用于主軸驅(qū)動的調(diào)速電動機主要有

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